關于氫的那些事兒

氫是自然界中擁有“朋友”最多、存在最普遍的元素，據相關保守估計，它構成了宇宙質量的75％。在我們生活的地球上，除空氣中含有部分氫氣外，其他的都以化合物的形態貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質。有人推算，如把海水中的氫全部提取出來，其燃燒所產生的總熱量比地球上所有化石燃料釋放出的熱量還大9000倍。但是必須有個前提：提取工藝要走上前沿，即方便實用消耗小，目前這個階段還是萬里長征第一步。下面我們一起走進氫，了解一下它的背景和開發能源之路。

“大爆炸”的那一瞬間，氫就出現了，并且在自然界中度過了漫長的默默無聞的歲月，16世紀末期，瑞士有個叫巴拉采爾斯的化學家，一不小心把碎鐵片掉進了硫酸中，瞬間許多氣泡像旋風一樣騰空而起。可惜年輕的他缺乏經驗，沒有再深入研’究，錯失了功成名就的機會。直到1766年，英國優秀的科學家卡文迪許才發現這些氣泡中的物質在空氣中可以燃燒生成水，于是含糊地稱它為可燃空氣。隨著科學的發展和思維方式的轉變，1787年法國杰出的化學家拉瓦錫最終給這種氣體取了一個好聽的名字：氫。

雖然每升氫氣只有0.09克，但它卻“變化多端”：常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下又可成為液態，若將壓力增大到數百個大氣壓，液氫就可變為固態氫。不僅“形態”有三變，在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，比大多數氣體的導熱系數高出10倍，因此可謂是最好的傳熱載體之一。

氫毫不吝嗇地奉獻自己造福人類，除了核燃料就數它的發熱值最高。氫氣火焰的溫度可高達2500℃，只要與空氣輕微的親密接觸(3％－97％范圍內)，遇見火花就熊熊燃燒了。與其他燃料相比，氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生諸如一氧化碳、二氧化碳和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質，少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境，而且氫循環使用性好，燃燒反應生成的水可用來制備氫。

氫的利用價值這么大，人類當然不會熟視無睹。既然司空見慣的水中有它的影子，那就從水開始抽絲剝離吧。

很少有人能夠想到，氫和氧在水中“結合”得異常牢固，想把它們分開，要花費很大的力氣。例如，必須加熱到二、三千攝氏度的高溫，才能把水分解成氫氣和氧氣。可惜的是。如果通過這樣的方式收集到氫，不僅要消耗很多的能量，而且還要有相應的耐高溫、耐高壓設備。為了避開這個技術難點，人類主要還是利用天然氣、煤炭和石油產品作為原料來制取氫氣。但是利用這些化石原料依然需要高溫和各種各樣的催化劑，所以算不上是一種有前途的制氫技術。

隨著科學家不斷地研究，他們發現太陽也能幫大忙了——在水中放入催化劑，陽光照射，催化劑便能激發光化學反應，把水分解成氫和氧。在這一過程中最困難的就是找到那些可靠穩定的催化劑了。現在找到的二氧化鈦和某些含釕的化合物，就是較適用的光水解催化劑，但還不能滿足實際應用。一旦更有效的催化劑問世，水中取“火”——制氫就成為可能。那時，只要在汽車、飛機等油箱中裝滿水，再加入光水解催化劑，陽光照射下，水便不斷地分解出氫，成為發動機的能源。

用氫作為燃料，不僅干凈，在低溫下容易發動，而且對發動機的腐蝕作用小，可延長發動機的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現有汽車的構造。

當化學家們在黑暗中摸索前進時，生物學家們卻尋覓到了新思路。他們發現了不少能夠產氫的細菌，一類是化能異養菌，一類是光合自養菌。已知產氫的化能異養菌有30多種，能夠發酵糖類、醇類、有機酸等有機物，吸收其中的一部分化學能來滿足生命活動的需要，同時把另一部分能量以氫氣的形式釋放出來。

光合自養菌比化能異養菌更有能耐，它們不需要消耗有機營養物，而且能像綠色植物那樣吸收太陽光，把簡單的無機物合成有機物以滿足自身的需要，同時放出氫氣。太陽光取之不盡，無機物到處都是，所以用光合自養菌產氫大有前途。至今，已經發現約13種紫色硫細菌和紫色非硫細菌可以產生氫氣。據悉，美國宇航部門準備把一種光合細菌——紅螺菌帶到太空中去，用它放出氫氣作為能源供航天器使用。除了細菌，生物學家還發現，綠藻在無氧條件下被太陽光照射時，也可以施放氫氣，甚至某些高等植物也是光合放氫的好材料。

于是，愛琢磨的科研者提出想法，從植物身上取出葉綠體，使之成為“生產氫氣的工廠”。第一臺葉綠體制氫裝置于1973年在美國問世，問題是天然的葉綠體壽命太短，需要尋找延長它們工作壽命的辦法。

還有些科學家提出培育“氫樹”的設想。他們認為，如果讓植物的光合作用保留在分解水的階段，使氫不與二氧化碳起作用，而直接從植物體內分離出來，那么，一棵棵的“氫樹”就可以直接給我們提供純凈的氫氣了。

然而，這些都是充滿幻想的“未來史”，只能豐富人們的精神世界了。下面還是用氫做點實際的工作吧。

每逢節假日，我們總會看到五顏六色、大大小小的氣球高高地浮在空中，翩翩起舞——這可都是氫氣的功勞啊。不過人們發現，如果氫氣泄漏，加上外界摩擦引起靜電會發生爆燃，造成灼傷。為什么會被灼傷呢?我們知道燃燒的前提是易燃氣體達到一定的濃度，如果裝在氣球中，氫氣濃度就比較高，但燃燒時間不會很長，因為氣球破裂后氫氣發散得非常快，很快就全部燒完了，因此不會發生持久性燒傷，大部分是瞬間的高溫灼傷。所以現在填充氣球漸漸不用氫氣，用氦氣取代了。

不過，最讓氫值得“驕傲”的是它很早就涉足航空領域了，那可是人類飛躍地球的偉大夢想。

早在第二次世界大戰期間，氫即用作A-2火箭發動機的液體推進劑。1960年液氫首次用作航天動力燃料。1970年美國發射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。再加上我們的神州系列飛船，氫已是火箭領域的常用燃料了。

對航天飛機而言，減輕燃料自重，增加有效載荷變得更為重要。因為氫的能量密度很高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍——意味著燃料的自重可減輕2/3，這對航天飛機無疑是極為有利的。

氫存儲方式有物理方式和化學方式兩種。物理方式有兩種：一是液態氫法，此法的能量密度最大，其困難是：保持液態氫容器處于253℃以下是一項難度極大的絕熱保溫技術：二是以高壓方式(2000～3000kPa)儲存于金屬容器中，即高壓氣瓶法，此法的能量密度小，貯氫量少。

目前研究最熱的是金屬“吸收”氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬美其名曰“儲氫合金”。儲氫合金都是固體，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來，因此是一種簡便易行的理想儲氫方法，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。科學家們正在研究一種“固態氫”的宇宙飛船。固態氫既作為飛船的結構材料，又可以作為動力燃料。在飛行期間，飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源“消耗掉”，這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間。

[責任編輯 李 軍]